宇宙太陽発電
Vol.2 (2017), pp. 20-22－シンポジウム論文－

宇宙太陽発電システムの検討現状と宇宙太陽発電システムの検討現状と今後の検討方向
今後の検討方向†
Current Status of a Space Solar Power System Study and Future Study Points
高 野 忠*‡
Tadashi TAKANO
太陽発電衛星（SPS)は，システムが極めて巨大であるためシステムが極めて巨大であるため，一般に理解されにくい．その一因はその一因は，システムの構成と機能が未だ示されないことにあるの構成と機能が未だ示されないことにある．本論文では，SPS の所要技術を概観し，特にシステム開発の岐路特にシステム開発の岐路となる衛星姿勢制御とスリップリングスリップリング，および巨大アンテナ技術の検討現状を示す．次にこれまで検討されて次にこれまで検討されてきた諸システムモデルの課題を明らかにしてきた諸システムモデルの課題を明らかにして，あわせて段階的な開発手法を提案する．
A solar power satellite (SPS) is hard to be understood by the public due to its extremely large system scale. One of thereasons is thatt the constitution and function of the system is not clarified yet. This paper surveys the necessary
technologies first. Especially, satellite attitude control and a relevant slip ring that indicate the crossroads of systemdevelopment, and a huge antenna technology are presented. Next, several system models studied so for aare introduced.
The stepwise scenario of development will be proposed.
Keywords：宇宙太陽発電，巨大システム
システム，衛星姿勢制御，スリップリング，アレーアンテナ，大量生産アンテ
大量生産アンテナ，線表1.

は じ め に太陽発電衛星（SPS)は，将来のエネルギー源として有望
将来のエネルギー源として有望である 1~3）．
すなわち炭酸ガスや廃棄物の排出は無いのですなわち炭酸ガスや廃棄物の排出は無いので，環境に優しい．太陽という無限のエネルギー源を利用する
太陽という無限のエネルギー源を利用するので，資源枯渇の問題がない．しかも地上の太陽光発電としかも地上の太陽光発電と比べ，夜という発電不能時間が無く，天候に左右されない天候に左右されないので，平均発電時間がはるかに長い．従ってその研究開発
従ってその研究開発に対するニーズは，明確である．
この利点のゆえに Innovation for Cool Earth Forum (ICEF)
2016 において，核融合技術と共に注目すべき新電源として取り上げられた 4)．しかし SPS はシステムが極めて巨大であるため，ICEF 2016 のみならず常に，，様々な指摘や質問がある 5,6)．
本論文では，SPS システムの所要技術を概観しシステムの所要技術を概観し，システ
ム開発の岐路となる技術の検討現状を示す
ム開発の岐路となる技術の検討現状を示す．あわせて，今後取るべき検討方向を提案する．
2.

宇宙太陽光発電の目的とシステム概要

SPS システムは，人工衛星（SPS）と地上の受電設備（レ）と地上の受電設備（レクテナ），および電力網との接続装置で構成されるおよび電力網との接続装置で構成される．すな
わち第 1 図に示すように，SPS から電磁波エネルギーをビーム状にして送り，レクテナで受電・整流するレクテナで受電・整流する．

† 第 2 回宇宙太陽発電シンポジウム，2016 年 12 月 19-20 日，東京にて発表‡ Corresponding author: Tadashi TAKANO. E-mail:mail: ttakano@ac.jaxa.jp＊
日本大学〒274-8501 船橋市習志野台７－２４－１,
Nihon University, 7-24-1 Narashino-dai,dai, Funabashi, 274
274-8501 Japan
SSPSS

第 1 図 SPS システムと電力網の接続

3.

システム実現のための所要技術

SPS システム実現のため必要となる実現のため必要となる技術は，以下のようである．
（１）寸法・重量共に巨大な構造体の製造な構造体の製造・構築．
（２）衛星の姿勢制御（３）太陽電池による大電力の発電との発電と，衛星内伝送．
（４）衛星 SPS からごく細いビームを作ること．
からごく細いビームを作る（５）その細いビームを，制御すること制御すること．
（６）半導体技術，特に受電側のマイクロ波整流素子
特に受電側のマイクロ波整流素子．
（７）整流素子の接続形態．
（８）打ち上げコストを下げること（８）打ち上げコストを下げること．
上記（２）と（４）は，SPS の構成に大きな影響を持ち，の構成に大きな影響を持
今後の技術検討の分岐点となるのでるので，以下で検討する．
まず項（２）の衛星の姿勢制御は衛星の姿勢制御は，全体の傾き制御と，構成要素である太陽電池と送電アンテナの回転制御に分けられる．特に後者については
特に後者については，第 2 図の場合２物体（送電アンテナと太陽電池）を機械的に切り離すためにロータリージョイント（RJ）が，機械的構造と電力伝送を切り離機械的構造と電力伝送を切り離（20）SSPS の現状と今後の検討課題（高野忠）すためにスリップリング（SR）が，各々必要である
各々必要である．実際にはこの RJ と SR は，一体で構成されるが一体で構成されるが，巨大であるがゆえに技術的に難しいと思われがちであるゆえに技術的に難しいと思われがちである．
RJ／SR を使うシステムとしては，NASANASA の規準モデルがある 7)．
それに対し RJ／SR を使わないを使わないシステムとして，太陽電池を太陽指向させる編隊飛行モデル 8)と，太陽指向させないテザモデル 9)が，各々提案されたされた．この 3 種のモデルでは RJ／SR の有無だけでなく，衛星姿勢制御方式や衛星姿勢制御方式や軌道制御方式，熱制御方式，送電アンテナ形式が送電アンテナ形式が大きく異なる．
次に項（４）のごく細いビームを作ることは
ごく細いビームを作ることは，SPS から3.6 万ｋｍ離れたレクテナに，電力を漏れ漏れなく送るため必要となる．そのビーム幅は，周波数 2.45 GHｚ，レクテナのアンテナ直径 3 km とすると，8.0×10-33 度と極めて狭い．
ビーム幅はアンテナ直径に反比例する
幅はアンテナ直径に反比例する．従って NASA 案
では，直径 1km で，2.45 GHz において，，アレー素子 2 億個である．
これは，アレシボのパラボラアンテナ（直径 305m）
10)や京都大学 MU レーダ（直径 103 m，475 素子のアレー）
11)に比べ．桁違いに大きい．しかい，具体的検討が具体的検討がこれまでほとんどされていなかった．第 3 図のようなアレーアンのようなアレーアンテナは，手作り要素が多いため，製造不可能なのである不可能なのである．
それに対し，下記のような技術が，提案され始めている提案され始めている．
（１）特殊蝶番を使わない展開構造 12)（２）放射素子を平面構造にして，印刷により作製する印刷により作製する 13)14)（３）給電回路の簡略化・平板化（４）間引き給電や副アレー給電による給電間引き給電や副アレー給電による給電素子の削減
15,16)（５）軌道上組み立て 17)
これらは従来のアンテナが一品製作されたのされたのに対し，大量生産アンテナ工学と呼ぶべき技術分野となるとなる．

4. これまで検討されてきたシステム
4.1 ロータリージョイント／スリップリングの検討
上述のように，RJ／SR は極めて重要な部品である．Ｓは極めて重要な部品である
ＰＳ用 RJ／SR の例を，第 4 図に示すに示す．スリップリングは，リング状電極とブラシ電極で構成されるリング状電極とブラシ電極で構成される．
NASA 規準システムの RJ／SR
SR は，検討資料 7)に記述されているが，困難技術と認識されていないようである
困難技術と認識されていないようである．実
際ロータリージョイントは，超大型アンテナの回転機構超大型アンテナの回転機構を先行技術として参考にできる．
．しかもＳＰＳでは，３６０度／日と一定速度でゆっくり回るので度／日と一定速度でゆっくり回るので，技術的に易しく実現可能と思われる．
次にスリップリングに，十分な電力を通せるかを検討す
十分な電力を通せるかを検討する．例えば１００万ｋW の電力を通す場合，太陽電池の電の電力を通す場合
圧を１万Ｖとすると，電流は１０万Ａである
電流は１０万Ａである．金属接触面を通せる電流密度は，現在 15 A / cm2 は可能である．ＮＡ
ＳＡ規準システムの場合，ロータリージョイント
ロータリージョイントは直径６ｍなので，スリップリングが同じ直径とするとリング状電同じ直径とするとリング状電極の幅は 3.6 cm と求まる．これは可能である
これは可能である．
ただ日本においては，次の理由で次の理由で非制御方式を取るべきだと言われてきた：（１）宇宙環境での（１）宇宙環境での 10 kV 以上のスリップリングは困難，（２）システムの脆弱性（（２）システムの脆弱性（one-pointfailure），（３）可動部の長期運用の為のメンテナンス要（３）可動部の長期運用の為のメンテナンス要
求．
これらは再考すべきである．
以上から現時点で，NASA システムを排除して，非制御システムを排除して方式を取る理由は無い．システム
システム検討に入る前に，もっと課題を詰めるべきである．

第 4 図 スリップリングの構成
スリップリングの第 2 図 太陽電池板とアンテナの相対回転をの相対回転を制御

（１）

（２）
第 3 図 規準システムで想定されたアレーアンテナ
システムで想定されたアレーアンテナ 7)

4.2 種々のシステムモデル 前述の技術岐路に応じて，これまで日米で次のような種々のモデルが提案されてき種々のモデルが提案されてきた： 米 NASA 規準モデル 7)，SPS2000，モデル 18)，NEDO
19)
ぐる巻モデル ，米 Fresh Look Study モデル 20)，編隊飛行
モデル 8)，テザモデル 9)．ただしシステム検討されたもの．ただしは，未だ少ない．
主なモデルについて，システム化するため検討すべき点
システム化するため検討すべき点は次であろう．
（１） 米 NASA 規準モデル
・ロータリージョイント／スリップリングの実現性
ロータリージョイント／スリップリングの実現性
・その地上実験： 真空状態で行う
真空状態
・軌道上での安全性と保守法
軌道上での安全性と保守法（２） JAXA 編隊飛行モデル
・反射鏡と衛星の軌道問題
・姿勢と軌道の制御精度
・軌道上実証を初期に優先的にに優先的に行う．

（21）

宇宙太陽発電 Vol.2 (2017), pp. 20-22（３） USEF テザモデル
・テザの伸展・制御性．切断への対応切断への対応．
・錘の作り方・最終複合体の成立性（多数テザ，縦横同じ寸法）
縦横同じ寸法）・軌道上実証を初期に優先的に行う．
．

各モデルにおいて特有の課題があるが各モデルにおいて特有の課題があるが，正面から検討すべき時期になっている．システム開発を段階的に進めるシステム開発を段階的に進めるべきである．最終的な商用化段階ではな商用化段階では，電力系会社やグリーン産業が，実用化への開発を進める
実用化への開発を進める．また開発途中での取得技術を，外部に応用することも考えていく
外部に応用することも考えていくことが重要である．

５．SPS 実現のための線表
線表
参 考 文 献
線表はシステム実現のため，極めて重要である
極めて重要である．線表の具体例を，第 5 図に示す．特に地上実証
地上実証試験で，送電アンテナの BBM (Bread Board Model) を作ることが重要であるを作ることが重要である．
軌道上実証試験#1 では，衛星から細いマイクロ波ビームを衛星から細いマイクロ波ビームを，地上レクテナにぴったり納める技術を実証する
地上レクテナにぴったり納める技術を実証する．そのため大きなアンテナを要するので，小型衛星は適しない小型衛星は適しない．軌道上実証試験#2 では，大電力伝送のデモを行なう
大電力伝送のデモを行なう．
本線表の特徴は移行判断点において，，前の線で技術的課題が解決されており次の線へ移って良いかって良いか，判断することである．もし課題が解決されていなければ解決されていなければ，次には移らない．その場合，前の線で開発された技術前の線で開発された技術が無駄にならないように，別な流用も考える．
一般に，次線の段階では前段階より，，数～数 100 倍の金が要るのが普通である．前述のように段階的に進めれば前述のように段階的に進めれば，初期段階で許容できない程大きな予算を初期段階で許容できない程大きな予算を，要求する必要がない．また SSPS は 30 年を要する長期計画となる長期計画となるので，開発途中での取得技術を，外部に積極的に積極的に応用することを考える．

第 5 図 開発線表例

6．まとめ
太陽発電衛星システムは，いくつかのモデルが検討されいくつかのモデルが検討されてきた．スリップリングの性能と構成を検討したところ
スリップリングの性能と構成を検討したところ，現時点で NASA 規準モデルを排除すべき理由は見当たらない．送電アンテナに対しては，大量生産アンテナ工学
大量生産アンテナ工学技術を確立し，早急に BBM を検討すべきであるを検討すべきである．

1) 松本紘: 宇宙太陽光発電所, ディスカヴァー・トゥエンティワン，
東京(2011).
2) 佐々木進: 宇宙太陽光発電に挑む,宇宙太陽光発電に挑む NHK 出版, 東京(2011)．
3) 高野忠: エネルギーの未来 宇宙太陽光発電 宇宙の電気を家庭まで, アスキー・メディアワークス,アスキー・メディアワークス 東京(2012)．
4) ICEF 2016 について，http://www.icef
http://www.icef-forum.org/jp/
5) 長谷川晃: ビッグサイエンスに関わる科学者の社会的責任,ビッグサイエンスに関わる科学者の社会的責任 日
本物理学会誌, 57 (5)) (2002), pp.342-344.
pp.342
6) 高野忠: 宇宙で太陽光発電, 毛利衛のサイエンスカフェ,毛利衛のサイエンスカフェ 東京(2013)．
7) Hanley, G. M.: Satellite power systems (SPS) concept definition
defin
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ネルギー利用システムの研究状況 第 7 回 SPS シンポジウム講
ネルギー利用システムの研究状況,
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9) 三原荘一郎, 斉藤孝, 小林裕太郎,小林裕太郎 金井宏: SSPS に関する USEFの活動状況(2006)”, 信学技報 (2007),(2007) SPS2007-01.
10) アレシボ電波望遠鏡，
http://websites.suagm.edu/ao/?q=the
http://websites.suagm.edu/ao/?q=the-305m-telescope11) 高野忠, 佐藤亨, 柏本昌美, 村田正秋:
村田正秋 宇宙工学シリーズ１－
宇宙における電波計測と電波航法（第２版） コロナ社, 東京
宇宙における電波計測と電波航法（第２版）,(2005)．
12) 高野忠, 三枝健二, 細野裕行, 宮崎康行,
宮崎康行 内山賢治, 荒木友太:
多重折り畳み型フェーズドアレイアン
多重折り畳み型フェーズドアレイアンテナ,
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13) 高野忠, 三枝健二, 常光康弘, 佐藤治,
佐藤治 須田保: CPW 型 ULPDを用いたアンテナと給電素子の統合実装の提案 電子情報通信を用いたアンテナと給電素子の統合実装の提案,
学会通信ソサイエティ大会, B-1--187 (2010)．
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19) 三菱総合研究所: 太陽光発電システム実用化技術開発、太陽光発電利用システム・周辺技術の研究開発、 宇宙発電システム発電利用システム・周辺技術の研究開発、,に関する調査研究, 新エネルギー・産業技術総合開発機構委託
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20) J. C. Mankins, J. C.: A fresh look at thet concept of space solar power,
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（22）(2017. 2. 3 受付)